• 循环冗余码crc


    待编码的有效信息组多项式:M(x)

    生成多项式(产生校验码的多项式):G(x)

    余数多项式:R(x)

    商:Q(x)

    生成多项式是四次的,所以某个多项式除以生成多项式的余式肯定是三次的,所以要加四位0000。

    生成多项式的选择是经过实际应用选择出来的,要满足一定的要求。

    R(x)为r阶,在M(x)后面添上r个0(R(x)有r + 1 位)。

    M(x)*x^k = Q(x)*G(x) + R(x)

    模2运算

    crc码是基于模2运算而建立编码规律的校验码。模2运算的特点是不考虑进位和借位的运算。其规律如下:

    1、模2加和模2减的结果是相等的,即:0 +/- 1 = 1, 0 +/- 0 = 0, 1 +/- 0 = 1, 1 +/- 1 = 0。两个相同的数的模2和恒为0。

    2、模2乘是按模2和求部分积之和。(和十进制乘法类似)

    3、模2除是按模2减求部分余数。每求一位商应使部分余数减少一位。上商的原则是:当部分余数的首位为1时,上商1;当部分余数的首位为0时,上商0。当部分余数的位数小于除数的位数时,该余数即为最后余数。

                   1 1 1 0
                ────────
    1 0 1 1〕1 1 0 0 1 0 0
              -1 0 1 1
                 ──────
                   1 1 1 1
               - 1 0 1 1
                  ──────
                     1 0 0 0
                 - 1 0 1 1
                    ──────
                       0 1 1 0
                   - 0 0 0 0
                      ──────
                         1 1 0

    例如M(x)=1100

    G(x)=1011

    用1100000 除以 1011得crc码为1100010

    有效信息为4位,校验位为3位,所以有称为(7,4)码。

    校验方法:

    将收到的循环校验码用约定的生成多项式G(x)去除,如果无错,则余数应为0;如果某一位出错,则余数不为0,不同的出错为对应不同的余数。对余数补0后继续除下去,余数将按照一定的序列循环下去(循环码的由来)。

    具体可参考:http://bbs.csdn.net/topics/50365367

    以下是在这个网站摘录的笔记:

    CRC校验码的编码方法是用待发送的二进制数据t(x)除以生成多项式g(x),将最后的余数作为CRC校验码。其实现步骤如下:
    (1) 设待发送的数据块是m位的二进制多项式t(x),生成多项式为r阶的g(x)。在数据块的末尾添加r个0,数据块的长度增加到m+r位,对应的二进制多项式为 。
    (2) 用生成多项式g(x)去除 ,求得余数为阶数为r-1的二进制多项式y(x)。此二进制多项式y(x)就是t(x)经过生成多项式g(x)编码的CRC校验码。
    (3) 用 以模2的方式减去y(x),得到二进制多项式 。 就是包含了CRC校验码的待发送字符串。
    从CRC的编码规则可以看出,CRC编码实际上是将代发送的m位二进制多项式t(x)转换成了可以被g(x)除尽的m+r位二进制多项式 ,所以解码时可 以用接受到的数据去除g(x),如果余数位零,则表示传输过程没有错误;如果余数不为零,则在传输过程中肯定存在错误。许多CRC的硬件解码电路就是按这 种方式进行检错的。同时 可以看做是由t(x)和CRC校验码的组合,所以解码时将接收到的二进制数据去掉尾部的r位数据,得到的就是原始数据。
    为了更清楚的了解CRC校验码的编码过程,下面用一个简单的例子来说明CRC校验码的编码过程。由于CRC-32、CRC-16、CCITT和CRC-4的编码过程基本一致,只有位数和生成多项式不一样。为了叙述简单,用一个CRC-4编码的例子来说明CRC的编码过程。
    设待发送的数据t(x)为12位的二进制数据100100011100;CRC-4的生成多项式为g(x)= ,阶数r为4,即10011。首先在 t(x)的末尾添加4个0构成 ,数据块就成了1001000111000000。然后用g(x)去除 ,不用管商是多少,只需要求得余数y(x)。下表 为给出了除法过程。
    除数次数 被除数/ g(x)/结果     余数
    0  1 001000111000000 100111000000
     1 0011
     0 000100111000000
    1  1 00111000000   1000000
     1 0011 
     0 00001000000
    2  1 000000 1100
     1 0011
     0 001100

    从上面表中可以看出,CRC编码实际上是一个循环移位的模2运算。对CRC-4,我们假设有一个5 bits的寄存器,通过反复的移位和进行CRC的除法,那么最终该寄存器中的值去掉最高一位就是我们所要求的余数。所以可以将上述步骤用下面的流程描述:
    //reg是一个5 bits的寄存器
    把reg中的值置0. 
    把原始的数据后添加r个0. 
    While (数据未处理完) 
    Begin 
    If (reg首位是1) 
    reg = reg XOR 0011. 
    把reg中的值左移一位,读入一个新的数据并置于register的0 bit的位置。 
    End
    reg的后四位就是我们所要求的余数。
    这种算法简单,容易实现,对任意长度生成多项式的G(x)都适用。在发送的数据不长的情况下可以使用。但是如果发送的数据块很长的话,这种方法就不太适合 了。它一次只能处理一位数据,效率太低。为了提高处理效率,可以一次处理4位、8位、16位、32位。由于处理器的结构基本上都支持8位数据的处理,所以 一次处理8位比较合适。
    为了对优化后的算法有一种直观的了解,先将上面的算法换个角度理解一下。在上面例子中,可以将编码过程看作如下过程:
     由于最后只需要余数,所以我们只看后四位。构造一个四位的寄存器reg,初值为0,数据依次移入reg0(reg的0位),同时reg3的数据移出 reg。有上面的算法可以知道,只有当移出的数据为1时,reg才和g(x)进行XOR运算;移出的数据为0时,reg不与g(x)进行XOR运算,相当 与和0000进行XOR运算。就是说,reg和什么样的数据进行XOR移出的数据决定。由于只有一个bit,所以有 种选择。上述算法可以描述如下,
    //reg是一个4 bits的寄存器
    初始化t[]={0011,0000}
    把reg中的值置0. 
    把原始的数据后添加r个0. 
    While (数据未处理完) 
    Begin 
    把reg中的值左移一位,读入一个新的数据并置于register的0 bit的位置。
    reg = reg XOR t[移出的位]
    End
    上面算法是以bit为单位进行处理的,可以将上述算法扩展到8位,即以Byte为单位进行处理,即CRC-32。构造一个四个Byte的寄存器reg,初 值为0x00000000,数据依次移入reg0(reg的0字节,以下类似),同时reg3的数据移出reg。用上面的算法类推可知,移出的数据字节决 定reg和什么样的数据进行XOR。由于有8个bit,所以有 种选择。上述算法可以描述如下:
    //reg是一个4 Byte的寄存器
    初始化t[]={…}//共有 =256项
    把reg中的值置0. 
    把原始的数据后添加r/8个0字节. 
    While (数据未处理完) 
    Begin 
    把reg中的值左移一个字节,读入一个新的字节并置于reg的第0个byte的位置。
    reg = reg XOR t[移出的字节]
    End
    算法的依据和多项式除法性质有关。如果一个m位的多项式t(x)除以一个r阶的生成多项式g(x), ,将每一位 (0=<k<m)提出来, 在后面不足r个0后,单独去除g(x),得到的余式位 。则将 后得到的就是t(x)由生成多项式g(x)得到的余式。对于CRC-32,可以将每个字节 在后面补上32个0后与生成多项式进行运算,得到余式和此字节唯一对应,这个余式就是上面算法种t[]中的值,由于一个字节有8位,所以t[]共 有 =256项。多项式运算性质可以参见参考文献[1]。这种算法每次处理一个字节,通过查表法进行运算,大大提高了处理速度,故为大多数应用所采用。


    摘自:循环冗余校验 CRC的算法分析和程序实现
    西南交通大学计算机与通信工程学院  刘东

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